千新星(并合新星)研究回顾

中子星-中子星或中子星-黑洞的并合可以导致强烈的高频引力波辐射,同时它们也可以通过向外抛射物质发出多种类型的电磁辐射信号,因而是当前多信使天文学研究的主要对象之一.在各种电磁辐射信号中,由抛射物所发出的热暂现源辐射被称为千新星,或可更广义地称为并合新星,其辐射能量来源主要是抛射物中放射性重元素的衰变和中心并合产物的持续能量输出(如自转能损).这种现象最早由Li和Paczynski在1998年从理论上预言提出,并最终在2017年的引力波事件GW170817中被观测证实.千新星(并合新星)观测在GW170817事件中发挥了关键性的电磁对应体作用,帮助人们精确定位引力波信号、证认其天体物理起源乃至限制并合产物的性质.从宇宙中重元素的起源这一研究背景出发,循着历史发展的脉络,分别对千新星(并合新星)模型的提出、发展、并合产物的性质、相关候选体的发现以及GW170817引力波事件等不同的研究阶段和研究专题进行简要的回顾,以梳理这一方向上研究思路的历史变迁,展现理论和观测的相互作用及其对研究进程的影响和促进.

WFST等望远镜对千新星的探测能力与观测策略研究

本文模拟了红移z<0.2的双中子星并合源,并通过采用一个简单的千新星模型,计算了这些并合源所对应的千新星光变曲线.分别分析了大视场巡天望远镜(WFST)、大型综合巡天望远镜(LSST)和巡天空间望远镜(CSST)对这些模拟千新星的观测能力.发现WFST和LSST的最佳波段是g波段,它能观测到最多的源.此外,最佳双波段联合观测策略为:在最初的1.5天以内,通过g/r波段观测事件;在1.5天以后,通过r/i波段观测事件.对于CSST而言,通过采用深度无缝光谱来观测,发现GU波段能够在前1.5天观测到事件,GV波段能在前3.5天观测到事件,GI波段可观测事件的时间最长.同时我们发现,观测倾角对光变曲线的影响与质量比有关,对于质量比q<0.8的源,不同观测倾角对光变曲线的影响很小;但是对于质量比q>0.8的源,观测倾角对光变曲线的影响则非常明显.

千新星简介

中子星-中子星或中子星-黑洞组成的致密双星系统在发生并合时,潮汐离心、碰撞挤压和吸积反馈等作用会导致约千分之几到百分之几倍太阳质量的物质被抛射到星际空间中。这些抛射物在加热机制的作用下可能达到较高的温度并快速膨胀,从而在紫外光学近红外波段发出一种快速变化的热辐射,即为千新星辐射。决定于抛射物的质量和不透明度,千新星的特征光变时标可估计在天到星期的量级。其辐射光度至少可达1041erg s-1的量级,具体决定于热源的性质,包括抛射物中通过快中子俘获过程形成的重元素的放射性衰变和并合产物可能的持续能量释放。千新星现象在2017年8月的GW170817引力波事件中被首次观测证实。

人类首次探测到中子星-黑洞并合

2020年1月5日,美国的地基激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,LIGO)探测到首例中子星-黑洞并合事件GW200105.这是继2015年9月14日探测到双黑洞并合引力波事件GW150914、2017年8月17日探测到双中子星并合事件GW170817之后,人类首次探测到中子星-黑洞并合事件(图1和2).

双中子星的并合及其引力波和电磁信号

2017年,轰动世界的引力波事件GW170817被确认来自于双中子星的并合。这是人类历史上首次探测到这种极端、剧烈的天体物理事件。双中子星是两个致密天体--中子星组成的系统,由双恒星系统经历漫长演化后形成。文章将从双中子星并合前、并合过程中与并合后全面地描述这种剧烈的天文现象,走进一段神奇而迤逦的旅程。未来随着引力波观测设备的升级,有望再次看到来自宇宙深处的引力波以及伴随的丰富多彩的电磁信号。